范興利

(成都理工大學(xué)地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059)

北京時(shí)間2022年1月15日12時(shí)27分，南太平洋湯加地區(qū)的洪阿哈阿帕伊島(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai)海底火山(以下簡稱湯加火山)發(fā)生了大規(guī)模爆炸式噴發(fā)活動(dòng)。此次火山噴發(fā)非常壯觀，火山灰柱“直沖云霄”，整個(gè)過程被衛(wèi)星清晰地記錄了下來(圖1)?；鹕奖l(fā)形成的沖擊波在全球范圍內(nèi)傳播，世界多個(gè)地方都監(jiān)測到了大氣壓的異常變化[1]，海底噴發(fā)觸發(fā)的海嘯對(duì)靠近火山的湯加地區(qū)造成了嚴(yán)重破壞，對(duì)環(huán)太平洋沿岸地區(qū)包括斐濟(jì)、新西蘭、澳大利亞、菲律賓、日本、美國西海岸等地也都產(chǎn)生了不同程度的影響?？諝庵酗h散的火山灰/氣以及沉降的火山灰等其他火山碎屑物質(zhì)嚴(yán)重污染了湯加地區(qū)的空氣和地表水源，直接威脅到附近居民和動(dòng)植物的生命安全。此次湯加火山之所以發(fā)生如此劇烈的噴發(fā)活動(dòng)與它所處的地質(zhì)構(gòu)造背景密切相關(guān)。

圖1 2022年1月15日湯加火山大噴發(fā)形成的火山灰柱“蘑菇云”(由himawari8衛(wèi)星觀測得到)

1 湯加火山所處大地構(gòu)造背景

如圖2所示，此次發(fā)生劇烈噴發(fā)的湯加火山在地理上位于南太平洋海域(南緯20.55°，西經(jīng)175.39°)，南距湯加主島(湯加塔布島，湯加王國首都努庫阿洛法所在地)65 km，西距斐濟(jì)650 km，西距澳大利亞2 100 km，西南距新西蘭1 770 km。該火山處于太平洋板塊和印度-澳大利亞板塊交界附近，屬于典型的島弧型火山。東部的太平洋板塊在湯加海溝處西向俯沖于印度-澳大利亞板塊之下，南北向狹長展布的湯加海溝平均水深6 000 m，最深處達(dá)10 882 m，是僅次于馬里亞納海溝的全球第二深海溝，也是地球上(深源)地震和火山活動(dòng)最頻發(fā)的地帶之一[2]。

圖3是島弧火山的形成示意圖，當(dāng)密度較大的大洋板塊(例如太平洋板塊)在海溝處向地球深部俯沖時(shí)，隨著溫度和壓力的升高，在某一深度位置(100 km上下)，俯沖板片(包含水、沉積物和蝕變洋殼)會(huì)發(fā)生脫水熔融作用，形成富含揮發(fā)分的巖漿向上運(yùn)移至地表后噴發(fā)形成島弧火山[3]。此次發(fā)生大噴發(fā)的洪阿哈阿帕伊島就位于與湯加海溝近乎平行的火山弧上(圖2)。與地球上其他一些島弧火山類似，湯加火山一直以來都比較活躍，以近些年為例，湯加火山在2009年3月份發(fā)生過一次較大噴發(fā)，噴發(fā)的火山柱有7.6 km高，對(duì)當(dāng)?shù)氐暮娇者\(yùn)輸造成了影響，2014年和2015年也有顯著的噴發(fā)活動(dòng)[4]。2021年12月份湯加火山開始出現(xiàn)相對(duì)較小規(guī)模噴發(fā)，2022年1月14日開始大規(guī)模噴發(fā)，1月15日發(fā)生了此次爆炸式劇烈噴發(fā)。

黃色鋸齒狀曲線表示海溝的位置，紅色小三角形代表島弧火山，帶拖尾的紅色火山標(biāo)志表示洪阿哈阿帕伊島火山(湯加火山)。左上角子圖(谷歌地圖衛(wèi)星影像數(shù)據(jù))給出了發(fā)生火山噴發(fā)的洪阿哈阿帕伊島與湯加主島的位置分布。右上角子圖顯示了湯加地區(qū)在大尺度地圖里的地理位置分布。圖2 湯加火山及其鄰區(qū)構(gòu)造背景圖

圖3 島弧火山形成機(jī)制示意圖(修改自https://worldbuildingschool.com/landscaping-your-world-map/)

2 湯加火山破火山口結(jié)構(gòu)

組成湯加火山的洪阿哈阿帕伊島在2014年之前實(shí)際上是兩個(gè)相鄰但完全孤立的島，分別被稱為洪阿·湯加島(Hunga Tonga)和洪阿·哈阿帕伊島(Hunga Ha'apai)，在湯加語中，‘Hunga(洪阿)’就是火山噴發(fā)的意思。2013年11月15日的衛(wèi)星影像圖(圖4a)上可以清晰地看到這兩個(gè)獨(dú)立存在的島，這兩個(gè)島嶼是2009年3月的火山活動(dòng)及其更早期的火山噴發(fā)活動(dòng)形成的，此次大噴發(fā)前的衛(wèi)星影像資料(圖4a和圖4b)上還能觀察到島上覆蓋的植被。2014～2015年間該地區(qū)的火山噴發(fā)活動(dòng)產(chǎn)物直接將原本分離開來的洪阿·湯加島和洪阿·哈阿帕伊島連接在了一起(圖4b)，從表面上看似乎火山噴發(fā)中心就位于這兩座島嶼之間。實(shí)則不然，從海底三維地形圖(圖5b)中我們可以清楚看到，這座火山的破火山口主體部分其實(shí)隱藏在海水面之下，洪阿·湯加島和洪阿·哈阿帕伊島只是它露出水面的邊緣部分(圖5a)。盡管這座火山近些年來一直有噴發(fā)，但主要是火山口邊緣地帶小規(guī)模的火山活動(dòng)而已。2022年1月14日較大規(guī)模噴發(fā)之后，1月15日大噴發(fā)前兩小時(shí)的衛(wèi)星影像圖(圖4c)表明兩座島嶼中間發(fā)生了塌陷，這預(yù)示著海水可能大量倒灌進(jìn)入了塌陷區(qū)深部，為接下來整個(gè)破火山口發(fā)生大規(guī)模的爆炸式噴發(fā)注入了物質(zhì)和能量。成都國星宇航科技有限公司提供的最新衛(wèi)星影像資料(圖4d)顯示，洪阿·湯加島、洪阿·哈阿帕伊島及其中間的連接體在此次大噴發(fā)中幾乎被完全摧毀了，只剩下最邊緣的小部分還零星地出露在海面之上。據(jù)此可以表明：整座破火山口已經(jīng)遭受了嚴(yán)重的破壞，包括可能的下沉塌陷。

(a)和(b)分別是2013年11月15日和2016年5月19日的衛(wèi)星影像圖(來自谷歌地圖)；(c)是2022年1月15日大噴發(fā)前兩個(gè)小時(shí)的衛(wèi)星影像圖(來自谷歌地圖)；(d)是2022年1月18日的衛(wèi)星影像圖(成都國星宇航科技有限公司提供的星時(shí)代-10衛(wèi)星影像數(shù)據(jù))圖4 洪阿哈阿帕伊島近年來的時(shí)空演變

3 湯加火山大噴發(fā)的量級(jí)及其對(duì)氣候的潛在影響

3.1 湯加火山大噴發(fā)的量級(jí)

在火山學(xué)中，火山噴發(fā)的強(qiáng)度可以通過“火山噴發(fā)指數(shù)”(Volcanic Explosivity Index，簡稱VEI)來衡量[6](圖6)，衡量指標(biāo)主要包括噴出物體積和噴發(fā)柱高度等方面。指數(shù)每增加1級(jí)表示火山噴發(fā)的強(qiáng)度增加10倍，歷史上最大規(guī)模的火山噴發(fā)強(qiáng)度定義為8級(jí)。2010年冰島4級(jí)火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰曾使歐洲多地航班癱瘓，由此可見4級(jí)以上火山噴發(fā)事件的威力。所幸的是，地球上5級(jí)及以上規(guī)模的火山噴發(fā)并不多見，19世紀(jì)以來一共有11次(不包括此次)。1815年印尼的坦博拉火山噴發(fā)是19世紀(jì)以來最強(qiáng)烈的火山噴發(fā)事件，火山噴發(fā)指數(shù)高達(dá)7級(jí)。6 400×104a前美國黃石公園火山發(fā)生了8級(jí)(頂級(jí))的超級(jí)噴發(fā)事件，曾對(duì)地球的氣候和環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

據(jù)初步觀測，此次湯加火山的噴發(fā)柱高度超過了30 km，噴發(fā)開始后的30 min時(shí)間內(nèi)，噴發(fā)柱頂部的“蘑菇云”直徑超過350 km，噴發(fā)柱的快速上升和大規(guī)模的橫向膨脹表明此次火山噴發(fā)釋放的能量巨大。初步估計(jì)，此次噴發(fā)的VEI可能在5級(jí)左右，因此這是1991年菲律賓皮納圖博6級(jí)火山噴發(fā)事件以來，地球上近30 a來最強(qiáng)的火山噴發(fā)活動(dòng)記錄。

(a)圖(修改自Cronin等[3])中的黑色虛線表示破火山口的范圍;(b)圖(來自frederik ruys制作的三維海底地形模型https://twitter.com/fruys/status/1482845290369536000)中的三維海底地形顯示了露出海面的破火山口邊緣(火山島)和隱藏在海水下面的破火山口主體圖5 湯加火山破火山口結(jié)構(gòu)示意圖

圖中紅色圓圈內(nèi)的數(shù)字表示相應(yīng)等級(jí)下火山噴出物的體積圖6 湯加火山大噴發(fā)與地質(zhì)歷史上頂級(jí)火山噴發(fā)事件的強(qiáng)度對(duì)比

3.2 湯加火山大噴發(fā)對(duì)氣候的潛在影響

地球表面大氣圈中的對(duì)流層平均厚度12 km左右，此次湯加火山的噴發(fā)柱高度超過了30 km，意味著噴發(fā)的火山灰有一部分進(jìn)入了平流層。由于缺乏空氣對(duì)流環(huán)境，進(jìn)入平流層的火山灰可能需要幾個(gè)月甚至數(shù)年才能沉降到地面。它們會(huì)遮蔽陽光，好比是在地球頭頂上打了一把遮陽傘，因此會(huì)造成氣溫降低。需要注意的是，盡管此次湯加火山噴發(fā)很劇烈(預(yù)估VEI 5左右)，但仍然不及1815年坦博拉這類超級(jí)火山噴發(fā)的強(qiáng)度，因此不太可能輸送大量的火山灰進(jìn)入平流層。另外，火山噴發(fā)釋放的二氧化硫氣體對(duì)氣溫的潛在影響更大，因?yàn)槎趸蜻M(jìn)入平流層后會(huì)形成硫酸氣溶膠，在平流層中橫向運(yùn)移輸送到全球各個(gè)地方，通過阻擋太陽輻射引起近地表溫度降低。但是目前據(jù)美國國家航空航天局(NASA)衛(wèi)星初步監(jiān)測數(shù)據(jù)(https://so2.gsfc.nasa.gov/omps_2012_now.html#hunga)，此次湯加火山噴發(fā)產(chǎn)生的二氧化硫約為400 kt，僅為1991年菲律賓皮納圖博火山噴發(fā)釋放量的2%，所以對(duì)全球氣溫的影響應(yīng)該很小。因此，本次湯加火山噴發(fā)對(duì)全球氣候的影響，尤其是對(duì)北半球的影響應(yīng)該比較有限，不太可能出現(xiàn)諸如1815年印尼坦博拉火山噴發(fā)時(shí)的“無夏之年”現(xiàn)象。

4 中國境內(nèi)的火山分布及其監(jiān)測情況

此次湯加火山大噴發(fā)也引起了社會(huì)大眾對(duì)我們國家是否存在火山災(zāi)害的討論。中國境內(nèi)也有活火山存在，這里活火山指的是近1×104a來有過噴發(fā)活動(dòng)的火山(也稱全新世火山)。其中，潛在噴發(fā)危險(xiǎn)性最強(qiáng)的當(dāng)屬位于中朝邊境的長白山天池火山[7]。長白山天池火山是一座規(guī)模巨大的板內(nèi)層狀復(fù)式活火山，地質(zhì)歷史上發(fā)生過多次噴發(fā)。公元946年(后晉時(shí)期)，長白山天池火山發(fā)生的一次“千年大噴發(fā)”被認(rèn)為是近2 000 a來的最大火山噴發(fā)事件之一[8]。此次噴發(fā)摧毀了方圓50 km半徑內(nèi)的森林，其飄散的火山灰貫穿了中國東北、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、朝鮮半島和日本海，甚至在北極格陵蘭島的冰芯中都有記錄[9]。繼“千年大噴發(fā)”之后，長白山天池火山至少又在 1413年、1668年和1702年發(fā)生過幾次小規(guī)模噴發(fā)活動(dòng)。2002～2005年間，增強(qiáng)的火山地震活動(dòng)、GPS 和水準(zhǔn)監(jiān)測觀察到的地表隆起、溫泉?dú)怏w地球化學(xué)異常以及衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測到的熱異常，均表明長白山天池火山有巖漿活動(dòng)的跡象[10]。近年來有關(guān)長白山天池火山是否存在潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的討論，也引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[11]。

圖7是我國境內(nèi)活火山的監(jiān)測分布圖(來自許建東等[9])，多種監(jiān)測手段包括地震、重力、形變、流體等都被用于這些活動(dòng)火山的實(shí)時(shí)監(jiān)測中。目前，以長白山天池火山為代表的6處活火山已被納入中國火山監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)，它們分別是吉林長白山天池火山、龍崗火山、黑龍江五大連池火山、鏡泊湖火山、云南騰沖火山和海南瓊北火山。隨著國家應(yīng)急管理事業(yè)的推進(jìn)，我國對(duì)火山的監(jiān)測和研究將持續(xù)加強(qiáng)和深入[9]，此次湯加火山大噴發(fā)給當(dāng)?shù)鼐用裨斐傻臑?zāi)害性影響也進(jìn)一步凸顯出我國對(duì)活動(dòng)火山開展系統(tǒng)性研究和監(jiān)測預(yù)警工作的必要性和重要性。

圖7 中國境內(nèi)活動(dòng)火山監(jiān)測分布圖(來自許建東等[7])